Дипломная работа: Изучение скорости горения высокоэнергетических смесевых твердых топлив

Изменение физических свойств топлив при хранении происходит под влиянием изменения внешней температуры, влаги и времени.[2,стр.42]

На поверхности ультрадисперсных частиц происходит радикальная перестройка расположения атомов и изменения типа межатомных связей по сравнению с поверхностью крупных частиц.[3].

В ультрадисперсных частицах реализуется особый тип дальнего порядка, при котором межатомные расстояния закономерно изменяются при переходе от центра частицы к ее поверхности, что приводит к образованию множества дефектов как на поверхности частицы, так и в ее объеме и увеличивает активность такой системы в целом.

1.1.5 Механизм горения

В механизме горения смесевых топлив имеется ряд особенностей, определяемых составом и природой входящих в них веществ.

Горение смесевых топлив начинается в твердой фазе с термического распада окислителей и горюче-связующих веществ. Завершается процесс горения в газовых фазах за счет интенсивных химических реакций между газообразными продуктами термического распада компонентов.

Для горения смесевых топлив наиболее характерны большие температуры поверхности горения (до 500-600ºС) и более близкие к поверхности горения максимальные температуры горения.

Процесс горения твердых ракетных топлив очень чувствителен к внешним воздействиям - давлению и начальной температуре топлива. При повышении давления и температуры резко сокращаются темная и смешанная зоны, и пламенная зона вплотную подходит к поверхности горения. Увеличивается подвод тепла к поверхности горения, скорость горения растет, а зона прогрева сужается. Чтобы избежать этих неблагоприятных условий, применяют катализаторы горения, ускоряющие химические реакции в твердой и газовой фазах, которые способствуют более полному горению и в конечном итоге улучшают характеристики топлив.[2,стр.58-59]

Введение АI в топливные системы, содержащие органическое горючее и неорганический окислитель, способствует повышению воспламеняемости, скорости горения и оказывает влияние на зависимость скорости горения от давления.

1.1.6 Скорость горения топлив

Для количественной оценки процесса горения топлив используют либо скорость перемещения фронта горения, либо массу топлива, сгорающего в единицу времени с единицы поверхности.

В первом случае скорость горения называют линейной и выражают в мм/сек или см/сек, во втором – массовой и выражают в г/см2*сек. В практике чаще пользуются линейной скоростью горения.

Скорость горения является очень важной рабочей характеристикой топлива, так как по ней судят о количестве газов, которые образуются при горении топлива в единицу времени с поверхности заряда. Она является одним из основных параметров при проектировании зарядов топлив.

Скорость горения топлива зависит от давления в двигателе, начальной температуры топлива, его плотности, энергетических характеристик, природы составных частей топлива, размера частиц окислителя (в смесевых топливах) и катализаторов горения.

Для практических целей всегда необходимо знать, прежде всего, зависимость скорости горения от давления.

Зависимость скорости горения твердых топлив от давления определяют опытным путем и выражают формулами, которые получили наименование законов скорости горения. Закон скорости горения находится опытным путем для каждого топлива в желаемом диапазоне давлений.[2,с 59-60]

1.1.7 Элементарный состав

Условная химическая формула.

Состав вещества в массовых долях отдельных элементов называется элементарным составом. Общая формула для массовой доли отдельного(k-го) элемента в веществе имеет вид:

bk= ;

здесь bk массовая доля k-го элемента;

ak - число атомов данного элемента в молекуле рассматриваемого соединения;

Ak- атомная масса этого элемента;

Если ограничиться пока элементами H, C, N и О, то в общем случае химическая формула вещества имеет вид

CmHnOpNq.

Тогда элементарный состав будет

bc=;     bh=; bo=;   bn=.

Здесь µ=12m+n+16p+14q – молекулярная масса вещества;

bc, bh, bo, bn – доли углерода, водорода, кислорода и азота.

Для углерода и водорода приняты округленные значения атомных масс (µн=1, µс=12);

Если топливо или его компонент представляет собой комбинацию нескольких веществ, то массовая доля отдельного элемента найдется так:

bk=Σgibki

где bk массовая доля k – го элемента в смеси,

gi - массовая доля отдельного (i–го) вещества в смеси,

bki – массовая доля k – го элемента в i- м веществе;

Если топливо состоит из окислителя и горючего и известно соотношение компонентов æ элементарный состав обоих компонентов, то массовая доля отдельного (k – го) элемента в топливе найдется так:

bk=(bkг+ ækok)/(1+ æ).

Когда компоненты представляют собой смеси индивидуальных веществ, то для некоторых расчетов удобно использовать условную химическую формулу данного компонента. Такую формулу можно построить разным способом. Например, удобно определять ее, исходя из числа атомов различных элементов, приходящихся на 100 массовых единиц рассматриваемого компонента. Тогда условная химическая формула будет иметь вид

CmHnOpNq…,

где m=100bc/12; n=100bH/1; p=100bo/16; q=100bN/14,

а bc, bH, bo, bN – массовые доли соответствующих элементов в данном компоненте. [1,стр.118-119]

2. Методики эксперимента

В работе использованы методики изготовления модельных твердых топлив, измерения скорости горения.

2.1 Определение процентного состава компонентов топливной композиции по известному α

Знание коэффициента избытка окислителя системы позволяет решить обратную задачу, т.е. определить процентный состав компонентов топливной композиции.

Рассмотрим это на примере топлива с α=0,90 и содержанием алюминия 15 масс. %, тогда содержание топливной композиции можно записать как

NH4NO3 (85-х) %

Связка – х %

Аl – 15 %

Т.к. содержание алюминия зафиксировано, а на содержание (NH4NO3 и связки) при 15 % алюминия приходится 85 %. Расчет эквивалентной формулы приведен в таблице№1.

Таблица№1. Расчет эквивалентной формулы.

компонент	содержание, масс.%	эквивалентная формула компонента	Содержание элементов в топливе с учетом масс.%
			Al	С	Н	О	N
NH4NO3	85-х	N25H50O37,5	---	---	50(85-х)	37,5 (85-х)	25(85-х)
связка	х	С18,4Н31,1O31,9H17	----	18,4х	31,1х	31,9х	17х
Al	15	Al37	37*15	---	---	---	----
эквивалентная формула топлива	100		555	18,4х	50(85-х) +31,1х	37,5 (85-х) +31,9х	25(85-х) +17х

Т.е. эквивалентная формула топлива имеет вид:

Al555C18.4xH50(85-x)+31.1xO37.5(85-x)+31.9xN25(85-x)+17x

тогда

α=0,9==

отсюда

     

Т.е. состав топливной композиции с α=0,9, содержащий 15 масс.% алюминия содержит, масс.%:

NH4NO3- 67,6

Связка – 17,4

Алюминий - 15

2.2 Методика изготовления образцов

В работе топливные составы изготовляли ручным способом по лабораторной методике не более 10 гр. смеси за одну мешку.

При работе с топливными составами проводили следующие операции: взвешивание компонентов топлива, смешивание, формирование образцов, определение их основных характеристик (массы, высоты, диаметра), бронирование, повторное определение основных характеристик.

В ходе работы изготавливали составы, содержащие нитрат аммония марки ЖВ, алюминий (УДП), сажа и SnCI2.

Дозировку компонентов проводили на электронных весах с точностью до 0,02г. Суммарная масса топлива 10г.

Навеску связки (МПВТ-АСП) полностью помещали в фарфоровую чашку, а навески алюминия (УДП), нитрата аммония (марки ЖВ), сажи, SnCI2 и отвердителя помешали на листках кальки. Затем в связку постепенно добавлялись компоненты топлива и после каждого компонента смесь тщательно перемешивалась. Отвердитель вносили в готовую топливную массу, которую далее дополнительно перемешивают. Полученную топливную массу формовали с помощью фторопластовой сборки в виде цилиндрических образцов диаметром 10 мм.

Полученные образцы взвешивали, измеряли высоту, определяли плотность. Затем образцы бронировали по боковой поверхности линолеумом, растворенным в ацетоне, и сжигали на воздухе при нормальных условиях.

2.3 Измерение скорости горения

Нами использован лабораторный метод измерения скорости горения.

Скорость горения определяли на воздухе при комнатной температуре.

Образец помещали на текстолитовую подложку. Затем заряд поджигали на верхнем торце одновременно по всему протяжению границы контакта при помощи открытого пламени. Время сгорания фиксировали секундомером. Расчет скорости горения проводили по формуле:

U=l/τ, мм/сек., где l- длина образца, мм

τ - время сгорания, сек.

Для определения скорости горения данного состава проводили не менее трех определений.

3. Экспериментальные данные

В работе использовали топливную композицию, характеризующуюся постоянным коэффициентом избытка окислителя, равным 0,9. Характеристикой, определяющей пригодность топлив к исследованию, служила плотность образцов.

При нормальных условиях определяли стационарную скорость горения.

3.1 Характеристики исследованной партии образцов

В таблице№2 приведены характеристики исследованной партии образцов, а именно масса (с бронировкой и без), высота, диаметр (с бронировкой и без), плотность, время горения, скорость.

Таблица№2. Характеристики образцов.

№	m,гр.	h,мм.	d,мм.	ρ,г/см3	mбр.,гр	dбр,мм.	h бр.,мм	t, c	v,мм/с
1	24,9	20,5	10	1,55	2,76	10,7	20,9	18,2	1,15
2	2,56	21	10,2	1,55	2,87	108	21	17,3	1,2
3	2,31	19,3	10,2	1,52	2,58	10,8	19,5	17	1,15
4	2,44	14	10,2	1,52	2,68	10,8	14	12	1,17

Средняя плотность образцов оказалась равной 1,54г/см3, а средняя скорость горения 1,15мм/с, что не противоречит данным, полученным ранее в опытах с образцами такого же состава.

Выводы

Изучена методика расчета компонентного состава смеси топлива при α=0,9.

Изучены свойства компонентов смесевого твердого топлива.

Изготовлены образцы смесевого твердого топлива и определена их плотность.

Определена скорость горения высокоэнергетической композиции.   

Список литературы

1. Т.М. Мелькумов, Н.И. Мелик-Пашаев, П.Г. Чистяков, А.Г. Шиуков Ракетные двигатели. Москва // Машиностроение,1976,400с.

2. И.А. Силантьев, Твердые ракетные топлива. Москва, Воениздат //1964, 80 с.

3. Лидоренко Н.С., Чижик С.П., Гладких Н.Н. и др. Сдвиг электронного потенциала в высокодисперсных системах. // Изв. АН СССР. Металлы. 1981. №6. с. 91-95.